龍泉山隧洞瓦斯防治技術

陳 波， 蘇 小 明， 田 赟

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

根據設計單位提供的《總干渠龍泉山隧洞瓦斯專題報告》，毗河供水一期工程龍泉山隧洞全長11 830.55 m，分設3條檢修交通洞,斷面為城門洞形，永久襯砌后斷面為4.5 m×4.5 m。其中瓦斯隧洞段長約9 410 m，占總長度的79.5%，高瓦斯隧洞段長5 580 m，低瓦斯隧洞段長3 830 m。瓦斯隧洞長度占隧洞總長度的檢修交通洞低瓦斯洞段長514.49 m。

2 龍泉山隧洞采取的瓦斯防治措施

龍泉山隧洞采取的瓦斯防治措施包括超前鉆探、瓦斯防治監測系統、施工過程控制、防爆改造、健全制度等方式。

2.1 瓦斯隧洞的相關知識

瓦斯是一種混合氣體，其主要成分是甲烷，它是一種無色、無味、無臭、易燃的氣體；難溶于水，比重為0.554，僅占空氣的一半，擴散性約為空氣的1.6倍，在隧洞內，瓦斯易出現在坑道頂部，能透過裂隙發達、結構松散的巖石；當瓦斯濃度高時會引起窒息；當其在空氣中具有一定濃度并遇到高溫熱源時能引起爆炸，對隧洞施工安全威脅很大。瓦斯中除了含有甲烷以外，還含有其它有毒有害氣體。

根據《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB10120—2002)，瓦斯工區按絕對瓦斯放出量進行判定；在龍泉山隧洞現場施工時，瓦斯隧洞各部的瓦斯濃度均在0.5%以下，可認為屬于低瓦斯工區；對于大于或等于0.5%的，則可認為其屬于高瓦斯工區。

2.2 瓦斯隧洞超前地質預報

為了確保瓦斯隧洞的施工安全，在施工中遵循“動態設計、動態施工、先判斷后處理”的原則。

2.2.1 地質素描分析

地質素描分析主要依據隧洞已有勘察資料之隧洞掌子面地質素描進行綜合分析，對掌子面前方的地質情況進行粗略的預測，從而對瓦斯賦存情況進行粗略了解。根據地質素描結果，提前做好相應的各項準備措施。

2.2.2 地質超前鉆探

在隧洞全段(含檢修交通洞)的開挖斷面處布置2個(孔徑75～100 mm)、長40 m的地質超前鉆孔(每35 m作為一個循環，搭接5 m)。

2.3 隧洞瓦斯監測

對瓦斯洞段采用KJ325煤礦安全監測監控系統和人工移動式監測相結合的方式進行監測。

2.3.1 安全監測監控系統

(1)在隧洞1#檢修交通洞、2#檢修交通洞、3#檢修交通洞及隧洞出口四個工區各布置一套監控系統。

(2)測點的布置。

設固定點監測系統，預計設24個固定監測點，其中在掘進工作面和襯砌工作面各布置8個固定測點，其余各點根據需要設置在隧道沿程。沿程在低瓦斯工區、高瓦斯工區、瓦斯突出工區按照每100 m布置一個，非瓦斯工區按照每500 m布置一個。

2.3.2 人工檢測

采用 20 臺 AZJ-2000 型甲烷檢測報警儀和 10 臺光干涉式甲烷測定儀。

檢測監測點布置：采用斷面 6 點法檢測，即拱頂點、兩拱腳點、兩邊墻腳點和底板中點。

2.4 施工安全技術措施

針對龍泉山隧洞的瓦斯濃度情況并依據《公路隧道施工技術規范》(JTG F60—2009)，對隧洞內瓦斯濃度限制值及采取的處理措施見表1。

表1 隧洞內瓦斯濃度限制值及超限處理措施表

2.4.1 通風設計

加強通風是防止瓦斯爆炸最有效的方法之一，絕不允許自然通風，必須采用機械通風。因此，龍泉山隧洞瓦斯洞段施工期間的風量必須根據隧洞內同時工作的最多人數、隧洞內同時放炮使用的最多炸藥量、隧洞內各工作面瓦斯同時涌出量、瓦斯隧洞所需的風速、稀釋內燃機排放廢氣中有害氣體濃度值、許可濃度等8種方法進行核算。

綜合以上8種方法核算結果并進行分析，其中按瓦斯隧洞所需1 m/s 風速時計算的用風量最大，為844.5 m3/min。

(1)單頭掘進時的通風設計。

①隧洞內最大需用風量為844.5 m3/min。

②計算風機供風量：

Q供=Q需·α= 844.5 m3/min ×1.25= 1 055.6 m3/min。

③風壓計算。

設計風管尺寸為φ1 m。選用一組2×55 kW通風機時提供的全壓H=6 256 Pa顯然不能滿足要求，因此，考慮到串聯通風，在洞口設2×55 kW通風機，然后每隔500 m設置1臺55 kW風機。

④設備的選擇。

洞口主風機采用YBF2-250M-4型軸流式風機，洞內串聯或備用風機均采用YBF2-250M-4，并需采用抗靜電、阻燃的風管。

(2)貫通時的通風設計。

隧洞貫通后，壓入式通風已經不適合隧洞的通風要求。此時，拆除壓入式風機及風筒，在洞內安裝射流風機進行通風，風管口到開挖掌子面的距離應小于5 m、且百米漏風率不應大于2%，通風設計時考慮自然通風的影響。

采用SDSNO22KW防爆射流風機進行通風，每1 000 m布置一臺。

2.4.2 施工通風管理

(1)各作業隊成立1個通風管理組，配置通風管理人員 2 人進行24 h通風管理；

(2)保證有可靠的備用電源和備用風機；

(3)風機司機上崗前須進行專業培訓，合格后方可上崗并作好運轉記錄；

(4)通風機發生故障或停止運轉時，洞內工作人員應立即撤離，直至通風機恢復正常后方準許進入洞內工作面繼續施工。

2.5 電氣設備和作業機械

隧洞進口段為非瓦斯洞段，該段施工的電氣設備與作業機械采用常規方式。

1#、2#、3#檢修交通洞和出口段工作點洞內施工的電氣設備與作業機械必須遵循以下規定：

2.5.1 一般規定

(1)隧洞內施工工區的所有電氣設備與作業機械必須采用礦用防爆型。

(2)各級配電電壓和各種機電設備的額定電壓等級須滿足《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB10120—2002)的要求。

(3)洞內變壓器采用礦山專用防爆變壓器，嚴禁中性點直接接地。

2.5.2 電 纜

(1)高壓電纜采用銅芯；

(2)低壓動力電纜的選用應滿足以下要求：固定敷設電纜應采用鎧裝鉛包紙絕緣電纜、鎧裝聚氯乙烯電纜或不延燃橡膠電纜；

(3)輸電線路必須使用密閉電纜，電纜之間連接的接線盒必須為防爆型。

2.5.3 電氣設備

(1)低壓電氣設備嚴禁使用油斷路器、帶油的起動器和一次線圈為低壓的油浸變壓器。

(2)照明燈具的選用應符合下列規定：開關必須設置在送風道或洞口；開挖工作面附近的固定照明燈具必須采用Exd I型；已襯砌段的固定照明燈具可采用ExdⅡI型。

2.5.4 施工機械

在施工機械上安裝瓦電閉鎖裝置。

2.6 全巖掘進機施工

龍泉山隧洞采用全斷面開挖施工工藝，其面積大且通風效果好，邊開挖邊跟進噴錨支護，有利于縮短瓦斯放出時間和縮小圍巖暴露面。

(1)掘進機司機必須經過專門的培訓，考試合格后方可上崗；

(2)應遵守《煤礦安全規程》中的相關規定，正確使用掘進機上所有的安全閉鎖和保護裝置。

2.7 鉆爆施工

龍泉山隧洞鉆爆法施工的區域全部使用 3 級煤礦許用炸藥(若是瓦斯突出危險工作面，使用 3 級煤礦許用含水炸藥)，雷管使用延時 130 ms 以內的煤礦許用電雷管。

爆破作業的工作面必須嚴格執行“一炮三檢”的瓦斯檢查制度。

(1)爆破作業。

爆破地點附近20 m內風流瓦斯濃度<1%。

(2)爆破后。

瓦檢員檢查瓦斯濃度和二氧化碳濃度，若其分別大于1%和1.5%，則需加強通風直至其滿足要求。

2.8 結構封閉

根據《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB10120—2002)，瓦斯隧洞只要有一處有突出危險，則該處所在工區定為瓦斯突出工區。瓦斯地段的噴射混凝土厚度不應小于15 cm，混凝土襯砌厚度不應小于40 cm。

3 龍泉山隧洞實施的安全管理措施

3.1 進洞管理

(1)在進出口洞口建立門禁系統并安裝高清紅外攝像機，對區域內的人和物料進行實時動態監控管理。

(2)對進出洞人員、車輛實行統一歸口管理，各洞口派專人24 h值班檢查。

(3)人員進出洞嚴格按照登記→檢身→翻牌→消除靜電的流程執行。

(4)進洞人員穿棉質工作服，配置KL205型礦燈。

(5)進入瓦斯突出工區的作業人員必須攜帶個人自救器。

3.2 安全教育及上崗培訓

(1)凡從事瓦斯隧洞工作的施工管理人員、工人都必須進行瓦斯的安全技術培訓。

(2)電工、爆破工、瓦斯檢測人員等特種作業人員必須經地方勞動局、煤礦礦務局等有關部門培訓，取得合格證后方準上崗。

3.3 瓦斯隧道施工的防火措施

當情況特殊、不可避免地需進行電焊、氣焊等工作時，需嚴格執行動火管理制度。

3.4 瓦斯檢測安全保證措施

(1)瓦檢員嚴格按《煤礦安全規程》要求進行各部位瓦斯濃度的檢測并做好記錄， 在洞內瓦斯牌上公布。

(2)瓦檢員實行現場交接班制度，每個班要進行交接簽字手續，瓦檢員、技術員、施工員(工班長)接班時要查閱上班的檢測記錄。

(3)每天的瓦斯檢測記錄交安全部門，由安全部專職工程師進行數理統計和分析，掌握洞內瓦斯溢出的發展動態。發現異?，F象及時向總工程師、項目經理提出處理建議。

3.5 瓦斯隧洞施工通訊措施

在掌子面和洞口值班室設置應急電話，確保信息安全暢通。

4 效果評價

龍泉山隧洞從2015年4月28日開工以來，截止2017年11月底，已成功貫通10 km，相繼出現瓦斯溢出超限(瓦斯濃度大于0.5%)16次，最高濃度達40%，均按相關要求成功化解了可能存在的安全風險。筆者從執行過程中認識到：瓦斯并不可怕。只要硬件設施跟上，加強宣傳與培訓(關鍵在于通風和管理人員的責任心)，瓦斯是可防和可控的。

由于瓦斯隧洞的防治牽涉面廣，施工單位投入巨大,但是存在水利行業無相關規范和計價定額、無法在單價中包含這類費用的弊端，如果建設單位以各種理由拒不解決，施工單位將面臨嚴重的資金困難，這一點尤需水利行業主管部門牽頭對此專門研究解決方案以確保工程安全。尤其應加強對瓦斯特性進行研究和認識，優化防治方案，在確保安全的前提下不浪費投資，確保民生工程可持續發展。